CC BY
11
Усталостные свойства усовершенствованной высокопрочной стальной пластины, сваренной гибридной плазменной дуговой сваркой
М.В. Поклонская Донской государственный технический университет
Аннотация: В этой статье рассматривается технология HPAW при сварке AHSS в обрабатывающей промышленности. Исследована усталостная долговечность сварных соединений с использованием этих двух методов. Кроме того, чтобы выяснить разницу в усталостной долговечности, проводится анализ как под оптическим микроскопом, так и под электронным микроскопом.
Ключевые слова: высокопрочная сталь, гибридная плазменно-дуговая сварка, газовая дуговая сварка металла, усталость, остаточные напряжения.
Введение
AHSS широко используются в современных отраслях промышленности, таких как автомобильная промышленность, строительное машиностроение, морское машиностроение и т.д. Однако из-за их более высокого значения углеродного эквивалента, обычный GMAW из AHSS сложнее, чем из обычных низкоуглеродистых сталей. Таким образом, необходим новый метод соединения, который позволяет сваривать AHSS с более высокой эффективностью и без предварительного/последующего нагрева.
Поскольку гибридная плазменно-дуговая сварка (PAW) была впервые внедрена в 2005 году, этому новому методу сварки уделяется значительное внимание. По сравнению с лазерно-дуговой гибридной сваркой HPAW отличается меньшей стоимостью, более высоким допуском зазора и лучшей способностью к соединению. По сравнению с GMAW, PAW обеспечивает более глубокое проникновение при сварке, более высокую скорость сварки и меньшую деформацию [1].
Описание исследования
Получена усовершенствованная высокопрочная стальная пластина Q500D толщиной 12 мм и разделена на секции размером 800 х 150 мм. Химические составы сварочной проволоки Q500D и ER50-6 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Химические составы сварочной проволоки Q500D и ER50-6 (мас. %)
Сплав C Si Mn P S Cr Ni Fe
Q500D 0.11 0.30 1.60 0.02 0.015 0.15 0.2 Bal
ER50-6 0.07666 1.02 1.73 0.011 0.018 0.057 0.012 Bal
Пластины соединяли методами HPAW и GMAW в плоском положении (1Г/ПА). Основные параметры сварки приведены в таблице 2. Из-за большого тепловыделения и низкой скорости сварки GMAW для заполнения канавки требуется три прохода. Для сравнения, зазор между сварными швами был заполнен всего за один проход [2].
Таблица 2 - Сварочные параметры процесса сварки Q500D
GMAW 11/Ш(опор ный сварной шов) I2/U2 (задний уплотнительн ый шов) 13/и3(косметич еский сварной шов) Скорость сварки Температура предварительн ого нагрева
150 A/22V 150A/22V 250A/27V 300mmmin-1 100~120°С
HPAW Плазменны й ток Ip Максимальны й ток Im Максимальное напряжение Um Скорость сварки Температура предварительн ого нагрева
270/A 430A 28V 600mmmin-1 -
На рисунке 1 показан схематический чертеж HPAW. В этих экспериментах использовалась сварочная проволока ER50-6 диаметром 1,2 мм. И плазменная горелка, и горелка MAG выровнены по направлению сварки, и первая представляет собой плазменную дугу. Кроме того, гибридный тип плазмы и MAG является параксиальным. Плазменная дуга
сжимается аргоном с чистотой 99,99%, льющимся из плазмотрона со скоростью потока 6 л/мин. Ванна с расплавом была защищена 80%-ным аргоном-20%-ным С02 при скорости потока 15 л/мин. Расстояние между магнитной дугой и плазменной дугой составляет 4 мм[3].
Чтобы получить усталостную долговечность сварных соединений, пластины были разрезаны на стандартные образцы в соответствии с GB/T 13816- 1992. Усталостная долговечность сварных соединений измеряется с помощью высокочастотной машины для испытания на усталость QBG-400 со статической нагрузкой -400 ~ + 400 Кн, динамической нагрузкой 0 ~ 200 Кн и частотой испытаний 60 ~ 300 Гц. Образец зажимается вместе с осевым направлением, и в этой статье прикладывается напряжение 340 МПа. Когда возникает трещина, испытание на усталостную долговечность завершается. Однако, чтобы выяснить причину, образец с усталостной трещиной зажимают с напряжением 170 МПа до тех пор, пока образец не развалится на части. Кроме того, образец с поверхностью разрушения разрезают с размером 60 мм х 40 мм х 12 мм, и поверхность разрушения наблюдают с помощью оптического микроскопа и электронного микроскопа, чтобы получить механизм разрушения [4].
Рисунок 1 - Система HPAW SuperMIG, запатентованная Weldobot, использовалась
для сварки замочных скважин [3].
Welding <
Как показано в таблице 3, измеряется усталостная долговечность сварных соединений с помощью PAW и MAW. Из табл. 3 видно, что при тех же геометрических размерах и том же напряжении 340 МПа средняя усталостная долговечность сварного соединения HPAW с 260,16 тыс. на 57,62% больше, чем у GMAW с 165,06 тыс. Кроме того, максимальный усталостный ресурс образца G-3 с GMAW составляет 210,5 тыс., что меньше минимального усталостного ресурса образца H-3, который составляет 223,2 тыс. То есть все значения усталостной долговечности у HPA выше, чем у GMAW. Согласно ссылке [2], можно получить, что в 95% доверительном интервале усталостная долговечность сварных соединений с HPAW увеличилась с 30,28% до 93,78%, чем у GMAW [5-7].
Таблица 3 - Экспериментальные результаты испытаний на усталостную долговечность
Способ сварки Номер образца Усталостный ресурс (N)/kC Время испытания/мин LgN Средняя усталостная долговечность/kC
GMAW G-1 158.9 28 5.2011 165.06
G-2 173.2 31 5.2385
G-3 210.5 39 5.3233
G-4 145.8 25 5.1638
G-5 136.9 22 5.1364
HPAW H-1 253.9 45 5.4047 260.16
H-2 272.8 54 5.4358
H-3 223.2 42 5.3487
H-4 286.2 58 5.4567
H-5 264.7 51 5.4228
Чтобы выяснить, как возникает и растет усталостная трещина, поверхность разрушения наблюдают с помощью электронного микроскопа, который показан на рис. 2. На рис. 2 (а1) и (Ь1) показана поверхность усталостной деформации сварных соединений GMAW и HPAW, а на рис. 2 (а2) и (Ь2) показан частично увеличенный вид (а1) и (Ь1). Причины того, что усталостная долговечность сварных соединений с HPAW больше, чем у GMAW, можно заключить следующим образом. Прежде всего, соотношение
места возникновения трещины (показано красной пунктирной линией), области расширения трещины (показано желтой пунктирной линией) и области разрыва (другие части) отличается при разных способах сварки. И доля площади разрыва с GMAW больше, чем у HPAW, что приводит к тому, что скорость распространения трещин в сварных соединениях с GMAW больше, чем у HPAW. Следовательно, образец сварного соединения с GMAW подвержен разрушению [8]. Во-вторых, происхождение трещин в сварном соединении с GMAW - это почти сварочный шов, а у HPAW - почти основной металл. Иными словами, при том же напряжении в 340 МПа сварное соединение GMAW из-за большей концентрации напряжений в сварочном носке легче поддается обработке по сравнению с соединениями HPAW. И последнее, но не менее важное: как показано на рис. 2 (а1), образец GMAW имеет три источника трещин, но образец, показанный на рис. 2 (Ь1) HPAW, имеет только одно происхождение трещин [9-10].
Рисунок 2. - Поверхность усталостного разрушения сварных соединений с (а)
GMAW и (б) HPAW [3]
Заключение
Исходя из результатов эксперимента и обсуждений, можно сделать следующие выводы:
1. Высокопрочная сталь может быть сварена с помощью GMAW и PAW. По сравнению с GMAW усталостная долговечность HPAW может увеличиться на 62,7%. И в 95% доверительном интервале усталостная долговечность сварных соединений с HPAW увеличилась с 30,28% до 93,78% по сравнению с GMAW. Кроме того, армирование HPAW ниже, а сварной шов более гладкий.
2. Из-за различной пропорции происхождения трещины, области расширения трещины и области разрыва, а также различного положения происхождения трещины усталостный срок службы сварного соединения с HPAW больше, чем у GMAW.
Литература
1. Соснин Н.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии: Руководство для инженеров. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. - 406 с.
2. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении -Машиностроение, 1978. - 21 с.
3. Патон Б.Е., Гвоздецкий В.С., Дудко Д.А. Микроплазменная сварка -Наукова Думка, 1979. - 215 с.
4. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазменная сварка. Плазмотроны - Машиностроение, 1993. - 124 с.
5. Овчинников В. В., Гуреева М. А. Технология дуговой и плазменной сварки и резки металлов. Учебник - Инфра-Инженерия, 2021. - 34 с.
6. Щицын Ю.Д., Белинин Д.С., Кучев П.С., Неулыбин С.Д., Гилев И.А. Плазменная сварка по отбортовке тонкостенных соединений - Вестник
Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение, 2014. - с.34-37.
7. Карнаухов И.С., Жданов А.В. Гибридная технология лазерной сварки -лазерно-плазменная сварка - Актуальные проблемы авиации и космонавтики, 2019. - с. 23-28.
8. Гирфанов Н.Э., Галимова М.П. Сравнение лазерной и плазменной сварки по экономическим показателям - Современные материалы, техника и технологии, 2017. - с.58-61.
9. Баженов А.М., Панов А.И., Гилев И.А. Плазменная сварка алюминиевых сплавов малых толщин - Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение, 2015. - с. 118-124.
10. Стельников И.В., Коновалов А.В. Определение оптимальной геометрии вольфрамового электрода при точечной сварке сжатой дугой - Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2011. - с.92-97.
References
1. Sosnin N.A., Topolyanskij P.A. Plazmennye texnologii: Rukovodstvo dlya inzhenerov [Plasma Technologies: A Guide for Engineers]. SPb.: Izd-vo Politexnicheskogo un-ta, 2013. P. 406.
2. Nikolaev G.A. Svarka v mashinostroenii [Welding in mechanical engineering] M.: Mashinostroenie, 1978. P. 21.
3. Paton B.E., Gvozdeczkij V.S., Dudko D.A. Mikroplazmennaya svarka [Microplasma welding]. Naukova Dumka, 1979. P. 215.
4. Koroteev A.S., Mironov V.M., Svirchuk Yu.S. Plazmennaya svarka. Plazmotrony [Plasma welding. Plasmatrons]. Mashinostroenie, 1993. P. 124.
5. Ovchinnikov V. V., Gureeva M. A. Texnologiya dugovoj i plazmennoj svarki i rezki metallov. Uchebnik [Technology of arc and plasma welding and cutting of metals]. Infra-Inzheneriya, 2021. P. 34.
6. Shhicyn Yu.D., Belinin D.S., Kuchev P.S., Neuly'bin S.D., Gilev I.A. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politexnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2014. pp. 34-37.
7. Karnauxov I.S., Zhdanov A.V. Aktual'ny'e problemy' aviacii i kosmonavtiki, 2019. pp. 23-28.
8. Girfanov N.E', Galimova M.P. Sovremenny'e materialy', texnika i texnologii, 2017. pp. 58-61.
9. Bazhenov A.M., Panov A.I., Gilev I.A. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politexnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2015. pp. 118-124.
10. Stel'nikov I.V., Konovalov A.V. Izvestiya vy'sshix uchebny'x zavedenij. Mashinostroenie, 2011. pp. 92-97.
